電渣爐固渣啟動過程模糊控制器的開發與應用

鄧 鑫，余 強，姜周華，董艷伍

(1.東北大學 材料與冶金學院，2.東北大學 信息科學與工程學院，沈陽 110004)

電渣爐固渣啟動過程模糊控制器的開發與應用

鄧 鑫1，余 強2，姜周華1，董艷伍1

(1.東北大學 材料與冶金學院，2.東北大學 信息科學與工程學院，沈陽 110004)

針對電渣爐在化渣階段采用固渣啟動的生產方式，結合整個化渣過程冶煉工藝的要求，設計了一種模糊控制器，并將其應用到實際生產，解決了電渣爐固渣啟動過程斷弧和沖擊電流過高的問題，實現了固渣啟動過程全自動控制.結果表明:實際生產中固渣啟動過程平穩，提高了化渣效率和電渣錠的底部質量.

電渣爐;固渣啟動;模糊控制

電渣爐的主要生產過程分為3個階段:化渣、重熔和補縮。在化渣階段，根據引弧啟動方式的不同又分為固渣啟動和液渣啟動兩種:固渣啟動即用自耗電極直接引弧化渣;液渣啟動是先用石墨電極引弧化渣，或者將化渣爐化好的渣子倒入結晶器中，再將自耗電極插入剛剛熔化的液體渣中進行熱啟動.無論哪種引弧啟動方式都是電渣重熔必不可少的工藝過程.

對于固渣啟動而言，能夠穩定地控制好引弧電流按照預置的工藝曲線進行變化是固渣啟動的關鍵.但由于固渣啟動過程的物理化學反應比較復雜［1］，另外，引弧材料的數量、物理形狀和擺放狀態的隨機性較大，加上渣子的不斷加入，使引弧電流的瞬間變化非常劇烈，從而給固渣啟動過程的自動控制帶來很大的困難，目前該控制過程多采用手動控制.本文針對電渣爐固渣啟動冶煉工藝的特點，結合現有的控制方法，設計了一種模糊控制器，并運用到實際生產中，實現了固渣啟動過程的全自動控制.

1 固渣啟動過程控制的基本原理

固渣啟動是將引弧材料放置在底水箱上，用自耗電極直接接觸引弧材料，這樣使變壓器、短網、自耗電極、引弧材料和底水箱構成一個供電回路，如圖1所示，利用自耗電極直接接觸引弧材料時發出的電弧熱將引弧材料和不斷加入的渣子熔化，從而達到引弧造渣的目的.

在固渣啟動的過程中，關鍵是控制好引弧電流按照預置的工藝曲線進行變化.通常在引弧的開始階段電壓是恒定的，對電流的控制是通過調節自耗電極上升和下降的速度來實現的［2］.若實際電流大于設定電流，則增加自耗電極的上升速度，使自耗電極接觸引弧材料的面積變小，從而減小引弧電流.反之，則增加自耗電極的下降速度，增大自耗電極與引弧材料的接觸面積，從而增加引弧電流.

圖1 固渣啟動供電回路示意圖Fig.1 Schematic diagram of power supply for solid slag start－up

自耗電極速度控制系統主要由自耗電極、電流互感器、交流伺服電機和自耗電極速度控制器組成，其速度控制系統結構圖如圖2所示.

圖2 自耗電極速度控制系統結構圖Fig.2 Block diagram of speed control system for consumable electrode

2 模糊控制器的設計

2.1 控制策略的選擇

所謂模糊控制是以人的控制經驗作為控制的知識模型，以模糊集合、模糊語言變量和模糊邏輯推理作為控制算法的數學工具，用計算機實現的一種智能控制，它具有抗干擾能力強、魯棒性好等特點［3］.目前，模糊控制器的設計多采用模糊控制與傳統PID控制相結合的方式，以提高系統的控制精度和控制效果.

本文采用模糊控制加傳統PID控制的策略設計控制器，控制結構圖如圖3所示.之所以將傳統PID控制中的微分調節去掉，是因為微分調節主要是針對大慣性過程引入的，它能給出控制系統提前開始制動的減速信號，而針對固渣啟動過程電流瞬時變化快、電流變化幅度大的特點，以及在啟動時還要保持引弧電流有一定的幅值震蕩范圍，這樣就要求系統的瞬時反應能力要強，而微分調節在本系統中是不適用的.

圖3 本文模糊控制器結構圖Fig.3 Block diagram of the fuzzy controller

2.2 建立模糊控制器數據庫及模糊化運算處理

本模糊控制器的輸入是引弧電流偏差E和引弧電流偏差變化率EC［4］，輸出是PI控制器兩個控制參數 kp、ki的變化量△kp、△ki.PI控制器采用增量式算法，即:

式(1)中，△u是自耗電極速度調節變化量;kp、ki為比例、積分系數;E為引弧電流的設定值與實際引弧電流值的差;k為采樣時刻.

在系統運行中，通過不斷檢測E和EC，來對兩個控制參數kp和ki進行在線修改，有PI控制器參數實時計算公式如下:

本文以某特鋼廠8 t電渣爐的固渣啟動過程為背景，引弧電流工藝設定起始電流是5.3 kA，最大化渣電流是13 kA.根據工藝要求，以及分析大量手動控制引弧過程的實際運行數據，確定固渣啟動電流偏差E的變化范圍為［－4 kA，+4 kA］，偏差變化率 EC的變化范圍為［－3.3 kA/s，+3.3 kA/s］.本模糊控制器的輸出△kp和△ki的變化范圍根據經驗確定分別為［－5，+5］和［－2，+2］.

由于不同變量的變化范圍不同，所以有必要使用比例因子將所有變量統一到離散論域{－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}之中.考慮到簡化系統決計算的復雜程度和提高控制系統的反應速度及控制精度，在輸入輸出論域上，均定義7個基本模糊集合:{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}.所有基本模糊集合都用符號表示為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，且隸屬度函數形狀均采用分辨率和控制靈敏度都比較高的三角形.確定最終隸屬度函數曲線如圖4所示.

圖4 E、EC、△kp、△ki的隸屬函數曲線Fig.4 The curve of membership function to E、EC、△kp、△ki

2.3 確定模糊控制規則

通過分析大量現場生產數據和現場操作人員的總結，確定了以下控制規則:

(1)在固渣啟動剛開始時，需要引弧電流保持一定幅值的震蕩，其范圍在設定值±3.3 kA;

(2)當偏差|E|較大時，為提高響應速度、避免系統超調，kp取大值、ki取零值或較小值;

(3)當偏差|E|減小時，防止超調過大產生振蕩［5］，kp減小、ki隨|E|的減小而增大;

(4)偏差E和偏差變化率EC同號時，說明輸出向偏離穩定值的方向變化，這時要適當增大kp、減小ki;反之適當減小kp、增大ki;

(5)在化渣后期偏差E很小時，為使化渣電流穩定，kp取較小值、ki可取較大值.

根據以上規則條件確定出△kp和△ki的控制規則，△kp的模糊規則表見表1，△ki略.

表1 △kp模糊規則表Table 1 Fuzzy regulation about△kp

2.4 模糊推理制度和決策

在獲得了△kp和△ki的模糊規則表后，根據模糊理論進行算法合成，分別求得相應的△kp和△ki的控制決策表，因為兩個控制決策表的求解過程完全一樣，故在此僅將△kp控制決策表的求取過程詳述如下:

對于二維輸入(E、EC)單輸出(△kp)的模糊控制系統，其控制規則一般可寫成如下語言推理形式:

針對固渣啟動控制的實際情況，采用最大隸屬度法進行模糊決策，從而得到△kp的模糊控制決策表，見表2.同理可得△ki的模糊控制決策表，從略.

表2 △kp的模糊控制決策表Table 2 The decision－making table for△kp

3 系統實際運行效果

對比使用本固渣啟動過程模糊控制系統前后的生產趨勢圖，其中圖5是固渣啟動化渣電流手動控制趨勢圖，圖6是模糊控制系統下固渣啟動化渣電流趨勢圖.可以看出，模糊控制系統下固渣啟動過程中沖擊電流明顯減少，整個過程比手動控制平穩了許多.通過近百爐次實際生產的檢驗，啟動成功率在97%以上.電渣錠底部質量得到提高，電渣錠底部見圖7，基本無生渣存在，化渣期和重熔期的過渡沒有明顯缺陷.

圖5 手動控制固渣啟動化渣電流趨勢圖Fig.5 Trendline of melt－slag current for solid slag start－up by manual control

圖6 模糊控制系統下固渣啟動化渣電流趨勢圖Fig.6 Trendline of melt－slag current for solid slag start－up by fuzzy control system

圖7 電渣錠底部Fig.7 Bottom electroslag ingot

4 結論

(1)本固渣啟動過程的模糊控制系統克服了時變、非線性、以及工作過程復雜等工況不利因素的影響，具有系統計算負荷小、響應速度快的特點，解決了電渣爐固渣啟動過程斷弧和沖擊電流過高的問題.

(2)實現了固渣啟動過程的全自動化控制.

(3)固渣啟動過程平穩，提高了化渣效率和電渣錠的底部質量.

［1］姜周華.電渣冶金的物理化學及傳輸現象［M］.東北大學出版社，2000:1－10.

［2］王時勝，孫達昕.電渣熔鑄機自耗電極自動進給控制系統的研制［J］.南昌:電氣傳動，1999(6):23－26.

［3］李士勇.模糊控制，神經控制和智能控制論［M］.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2004:420－422.

［4］任偉，鄭險峰.電渣爐電極調節系統的模糊自適應PID控制［J］.冶金自動化，2006(1):15－18.

［5］王達宇，何國青等.電渣重熔過程智能控制的研究與應用［J］.工業加熱，2005(6):42－45.

Development and application of fuzzy controller in solid slag start－up process for electroslag furnace

DENG Xin1，YU Qiang2，JIANG Zhou-hua1，DONG Yan-wu1

(1.School of Materials＆Metallurgy，Northeastern University;2.School of Information Science and Engineering，Northeastern University，Shenyang 110004，China)

The fuzzy controller was designed，which is dead against solid slag start－up in the melt－slag phase of ESR and is integrated with the metallurgy of melt－ slag process，and has been applied in production.The problems of disconnected and high impingement current are therefore solved.The fully automatic control of solid slag start－up process is achieved.The results showed that the process of solid slag start－ up can become stably，the melt efficiency and the quality of electroslag ingot bottom were improved in production.

electroslag furnace;solid slag start－up;fuzzy control

TF 748.6

A

1671-6620(2011)S1-0153-04

2010-10-15.

鄧鑫 (1980—)，男，遼寧本溪人，博士研究生，E－mail:dengxin_neu@163.com.